液体点滴速度监控系统设计
第1章 绪 论
1.1 本课题研究的意义
目前，医院采用的静脉输液监护主要是靠人工值守的方式来进行，传统的输液原理是：利用高度差将液体注入患者静脉内，依靠软管夹轮的上下滑动来对软管夹紧或放松，来控制输液速度，输液速度的快慢要求医护人员根据药剂特性和自身的经验进行调节。守护人员对输液出现问题或输液结束采取手动按铃报警或口头通知等方式求助，这种输液方式在安全性，准确性方面问题极差，同时也耗费了人力和精力[1]。为了解决目前输液的敝端，使输液系统更加安全、便捷、应用现代技术手段开发出能在输液结束、输液故障提供声音文字报警提示，并能保证稳定的输液速度的一款智能的、低成本的输液系统对提升我国医疗质量有重要帮助。
1.2 国内外的发展历史和研究现状
为了解决静脉输液中给患者和医护人员带来的一系列问题，更好的实现输液过程的智能监护，多年来，国内外都为此进行了大量的实验和研究，研制了多种的输液监控设备，其发展历史主要包括以下这么几个阶段。
(1) 机械式的输液监测阶段
早在 1985 年时就有人提出了一种机械式的输液瓶液位的检测方法，该方法是利用输液瓶中液位的下降会导致其重量下降的原理来对其液位进行检测的，使用的主要工具是弹簧秤，用来称量药液瓶的重量，但是实际的情况是相对较为复杂的，药瓶的重量是多种多样的，因此该种方法的可靠性很差，并且使用起来不方便，不适合推广应用。
(2) 电容式输液监测阶段
电容式输液监测的原理是利用输液瓶中液位的变化能够导致电容变化的原理来对输液瓶中的液位进行监测，但是由于临床输液中的输液瓶的容积大小是有很多种的，如果要应用此方法的话就需要设计多种不同的输液监控设备，这会给医护人员的使用带来极大的不便，因此不适合推广应用。
(3) 电极式输液监测阶段
电极式输液监测的原理是利用插入茂菲式管的两电极来实现的，当电极的中间有液滴经过的时候，会产生中断的信号，这一特点能够对点滴的速度这一物理量进行监测。这种监测的手段简单有效，但是由于这种方式是需要和药物有接触，容易对药物产生污染，进而影响到静脉输液的治疗效果，因此不适合推广应用。
(4) 红外光电式输液监测阶段
红外光电式输液监测的原理是利用药液能够通过吸收和散射等方式使通过其中的红外光的强度减弱的原理来进行测量的，在茂菲式管的一端安装红外发射管，在另一端安装接收管，当两者之间有液滴经过的时候，接收端的传感器会感到光强变弱，把光信号的变化转化为电信号的变化，这样可以通过微控制器对这些信号进行处理而得到输液的信息。这种监测方法性能良好，性价比高，能够对输液信息进行准确的测量，并且与药液不接触，且和药液性质和输液器材无关，具有很强的适用性。除上述的四种输液监测的方式外，还出现过光纤式输液监测法和超声波式输液监测法等，但是由于这些方式的成本过高，导致性价比不强，因此没有得到广泛的应用和推广。随着科学技术的发展，网络化技术逐渐的应用到了输液监测领域，出现了两种比较主要的静脉输液监测网络，包括一类基于 RS-232 或 RS-485 总线技术的系统，这类系统由上位机、通信部分以及现场控制部分组成，通过以上提到的两种总线技术使各个分机连接组成输液监测的网络；另一类是以 CAN总线技术为支撑的，通过这种技术使各个分机连接成输液监测网
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络[11]。上述的两种总线技术虽然能够实现输液监测系统网络化的任务，但是这两种技术都属于有线技术，在实际的应用当中需要对系统进行布线，在安装和维护上面的成本相对比较高，而且对环境的依赖性也比较大，因此不适合在实际当中推广使用。 以上所提到的这些方式虽然都能够完成输液监测的任务，但其在灵敏度、药液使用范围、操作方法、生产成本等方面或多或少的存在着一些问题，所以至今没能在医疗设备市场上得到成功的推广使用。因此研制新型的输液监测系统是当前的卫生这个行业发展的一种需求。
1.3 本课题主要工作内容
本文提出并设计了一种新的点滴输液智能监控系统，本系统专为各大、中型医院量身定制，在输液的过程中，护土只需根据病人的现实需要调整参数，而不需要时时的监视即可及时了解患者的当前情况，这样就大大减少了护士和患者的接触次数，减少了护士的工作量，节省了大量时间，提高了工作效率。本系统设计新颖，成本低廉，实用性强，有利于普遍推广。本设计是基于AT89S52单片机的基础上，通过综合运用单片机控制技术、光电监测技术、通信技术、步进电机控制技术，实现输液治疗中的智能监控，能对输液过程的液滴速度，液位高度实行监控，当出现液位异常时，能即时报警。本系统的优点是，操作简便，安装方便，成本相对较低，并可以通过对按键控制液滴滴速问题，且抗扰能力强。主要功能有：
（1） 通过按键设定滴速。
（2） 自动控制液滴滴速，并实时显示。
（3） 液位出现异常和输液过程出现故障时能自动报警。 主要特点有：
（1） 采用PID控制步进电机，控制精确。
（2） 采用PWM技术，提高红外传感的抗干扰能力。 （3） 软件采用数字滤波技术提高系统程序的稳定性。 为此，课题主要工作内容是： 1. 查阅资料，确定方案
通过对液体点滴速度监控系统的相关发展史的学习，比较现有液体点滴监控装置的优缺点，并根据需要，确定系统的整体设计方案。
2. 系统软硬件设计
根据整体设计方案，设计出各个模块的硬件电路，完成各部分硬件系统功能框图。设计出系统的软件程序，并验证。
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第2章 液体点滴监控系统总体方案
2.1 控制方案
方案一：此方案是传统的两位模拟控制方案，其优点是电路简单，易于实现。但模拟方式难以把精度做的很高，难以实现系统需求中的键盘显示和动态显示滴速及远程通信的功能。
方案二：此方案采用 AT89S52 单片机系统来实现，可用软件实现复杂的算法和控制。这种方案方便地实现了系统需求中的键盘设定和动态显示滴速等功能。
比较后，选择方案二。
2.2 点滴检测方案
方案一：可见光发光二极管与光敏三极管传感电路。由于系统外界光源会对光敏二极管的工作有很大的干扰，一旦外界光亮度改变，就会影响对液滴的判断。如采用超强亮度发光管可以减小干扰，但功率损失大。所以方案一不可取。
方案二：不调制的红外对射传感器。由于直接采用直流电压对发光管进行供电，考虑到平均功率的限制，工作电流不能高于元件的额定值，对点滴照射有一定的困难且仍然容易受到外部光源等干扰。
方案三：脉冲调制的红外对射传感器。红外发射管的最大工作电流是由其平均电流决定的，采用占空比小的调制信号，瞬间电流会达到很大，大大提高了信号噪声比，提高了系统的抗干扰能力[9]。 比较后，选择方案三。
2.3 液位监测方案
方案一：使用拉力传感器间接测量。将拉力传感器接在滑轮和储液瓶之间，利用面高度变化和拉力变化之间的线性关系进行间接测量。但是拉力传感器价格贵，从实用性角度考虑，在设计系统中不合适。
方案二：使用光电传感器定点对液面进行监测。可以采用红外对管实现，根据接收管接收到的光强大小来判断液位是否到达警戒线。利用光在不同媒质界面的折射或反射原理，通过光电传感器接收光信号实现液面检测功能。此外，光电传感器安装方便，只
需将传感器固定在储液瓶外瓶壁上即可，不需要详细计算储液瓶液面高度值，简化了外 围电路结构。
比较后，从实用，简便同时保证测量准确度上，使用光电传感器测量储液瓶液面高度是最理想的选择。
2.4 速度控制方案
方案一：采用输液软管夹头的松紧程度来控制液滴流速，控制滴速夹移动的距离很小，但是滴速夹的松紧调节过程中，存在很多因素，例如橡胶粘度与液体粘度，弹簧弹力等等，都为非线性控制量，移动距离，移动阻力等参数难于计算，用机电系统实现起来较为困难。所以如果采用夹头控制难以实现类似的线性控制。
方案二：通过电机和滑轮系统控制储液瓶的高度，来达到控制液滴流速的目的，方案实现较为简便，通过步进电机可方便地实现对储液瓶高度的调节，从而达到控制液滴流速的目的，但缺点是调节储液瓶移动的的距离比较大，所需时间比较长，而且储液瓶高度与流速的关系非线性，并且没有现成的理论公式可以利用，而只能取足够多的采样点，来分析两者之间的关系，得出大致的经验公式。在自变量（储液瓶移动距离）变化
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范围较大的情况下，这项工作较为繁杂。 经比较，选择方案二。
2.5 电机选择及控制方案
可用于本设计的电机有直流电机，步进电机，伺服电机，下面分析上述3中电机的特性。
直流电机：直流电机上电即转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停下来；转矩小、无抱死功能，如果要求准确停在一个位置，其闭环算法较复杂。
步进电机：步进电机转矩相对直流电机大，价格适中，控制精度较高，适用于较精确的测量中，可有效提高输液速度的控制精度，并且有较好的抱死功能。
伺服电机：伺服电机，机械特性较好、输出功率较大、起动转矩大、驱动电路简单、正反转的控制较容易、且具有抱死功能。
经比较，由于伺服电机价格偏高，故选择步进电机。 控制方案有：模糊控制和PID控制
模糊控制算法：通过计算机完成人们用自然语言所描述的控制活动，不需要事先知道对象的数学模型，具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点。
PID 算法是工业上较为流行的一种控制算法，其核心思想是根据误差的比例项、微分项、积分项来确定系统的变化趋势及调整方案，将其运算结果用以输出控制。其控制精度较高但是相对响应的时间较长。PID算法在理论上和程序实现上较为复杂，但是能够保证较高的精确度，适应性比较强。 故选择PID控制方案。
2.7 系统总体框图
单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单图2-1 整体系统框图
单单单单单单单单AT89S52单单单单单单单单A/D单单单单单单单单单单 以 AT89S52 单片机为核心，根据前面的方案论证，电路主要包含以下几个模块：输液信号采集单元、脉冲整形和 A /D转换单元、液滴显示单元、声光报警单元和单片机外围电路等。其中输液信号采集单元完成输液信号的采集工作，脉冲整形和A/D转换单元把采集到的模拟信号变为数字信号以便单片机进行处理，单片机处理完毕后一方面显示输液速度等信息，另一方面根据设定的输液速度对输液速度进行调整。为简化起见电源与存储器扩展未画，整体系统框图如图 2-1。
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2.8 小结
本章介绍了液体点滴速度监控系统各部分的控制方案，通过比较，最终选择了合适的方案，并给出了整体系统框图。
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